盡管在航空航天業聚合物 3D 打印同樣發揮著重要作用（尤其是在涉及PEEK 和 PEKK等高性能聚合物時），但金屬增材制造在該領域也得到了快速發展。但是，如何能夠將金屬 3D 打印技術應用到航空航天領域？它又能帶來什么好處？金屬 3D 打印零件如何獲得認證？為了回答上面這些問題，

在本期文章中總結了增材制造領域的三位專家對此給出的建議，他們分別是：

第一位專家是 Martin White 博士，他是國際標準組織ASTM International全球先進制造計劃部的技術運營總監。White 博士負責監督 ASTM 的所有 3D 打印技術項目，重點關注從資格和認證挑戰到材料允許生產的組件，以及加速標準化和提供專家培訓。

第二位專家是VELO3D的技術銷售工程師 Brian Hawkes，Velo3D是航空航天領域領先的金屬 3D 打印公司之一。他在航空航天業工作了大約 10 年，在他總共 20 年的工程師生涯中，他專注于設計熱交換器和復雜的制造。

第三位專家是伊頓航空航天公司增材制造總監 Michael York。他是一個項目的負責人，該項目擁有 23 個獲獎的金屬增材制造組件，涵蓋商業航空航天、軍事、太空和售后市場應用。

金屬 3D 打印在航空航天中的應用途徑

如前所述，金屬 3D 打印因其眾多優勢早早受到在航空航天領域的青睞，這種技術模式歷經多年的發展已經很成熟。預計未來幾年這個應用率只會增長，特別是在整個航空航天業都在尋找提高行業可持續性發展方案的情況下。White 博士特別指出，隨著設計新組件的需要，未來幾年將更多地使用到金屬 3D 打印。隨著航空航天朝著電氣化和氫能源等替代能源的方向發展，這一時代將很快到來。值得注意的是，很可能需要對整個飛機的飛機結構設計進行更改，而增材制造可能是其中的一個關鍵優勢。這些技術以能夠創建傳統方法無法實現的幾何形狀而聞名，使用戶能夠最大限度地提高結構設計、性能和安全性。

此外，還可以使用多種不同的 3D 打印技術。在評論該行業所使用的不同金屬增材技術時，White 博士說：“簡而言之，所有金屬技術都在考慮之中。目標始終是通過有計劃地降低成本或提高績效來實現可持續的業務案例。該行業需要考慮超越組件認證以實現工業化的進展，我們希望在工業化中制造更多的零件。我們看到發動機使用到了粉末床熔融技術的高精度復原功能（即復雜部件），而航空結構通常會應用到定向能量沉積 (DED) 方法的高沉積率和大尺寸能力。“

粘合劑噴射也是一項常用的金屬3D打印技術。Mike York 進一步證實了這一點：“在伊頓航空航天公司，我們使用的技術包括激光粉末床熔合（鋁、鈦、鉻鎳鐵合金和不銹鋼）、電子束粉末床熔合（鈦）和金屬粘合劑噴射（不銹鋼）。”

此外，材料也是增材制造過程的關鍵。Brian Hawkes 解釋說：“所使用的材料也因應用場景和使用要求而異。鈦具有高強度重量比，這對于航空航天至關重要，因為重量更輕的車輛消耗更少的燃料。鎳基高溫合金，如鉻鎳鐵合金，由于能夠在接近熔點的溫度下工作，因此可用于高溫環境。鋁具有良好的導熱性，適用于熱交換器等應用。一般來說，通過傳統制造方法在航空航天中廣泛使用的材料也是增材制造的絕佳候選者。”

但是，一旦選擇了工藝并決定了材料，金屬 3D 打印在整個航空航天領域就有了許多創新用途。Hawkes 證實了這一點，并評論說：“在高溫環境下運行、涉及傳熱或包含流體通道的組件多為復雜結構件，而增材制造就非常適合制造這種與關鍵航空發動機部件相關的組件，例如熱交換器，葉輪、蝸殼等。”

White博士進一步指出了去年在ICAM 2022 上看到的一些令人印象深刻的應用。這包括終端應用部件。例如，空客目前正在使用增材制造在A350 WXB 的機翼掛架上制造一個支架作為結構部件，而航空航天巨頭波音公司則轉向使用 Norsk 的 DED 送絲技術來制造波音 787 后艙室支架。后者尤其值得注意，因為它表明由于材料成本和加工時間的減少，購買飛行率降低了 85%。

△空中客車公司使用金屬 3D 打印技術制造的 A350 WXB 上的支架（圖片來源：空中客車公司）

航空航天使用金屬增材制造的好處和缺點

如前所述，增材制造對航空航天業有許多好處。這些包括但不限于優化設計的能力、輕量化、更快和更便宜的開發應用、消除工具、降低成本，當然還有可持續性。當然，這些好處不僅在航空航天領域可見，而且對該行業至關重要。這也是為什么航空航天仍然是 3D 打印的最大采用者之一的原因。

輕量化帶來的好處，能夠在減輕零件重量的同時優化強度，這一點體現的尤為重要。來自Velo3D 的 Brian Hawkes 指出：“增材制造能夠幫助工程師生產出滿足零件設計要求的輕質結構，從而減輕飛機的總重量，同時還具有減少廢料的次要好處。” 事實上，Mike York 指出，對于增材制造的零件，重量通常會減輕 20-40%。當考慮到增材制造減少發動機等復雜結構中必要零件數量的能力時，這個數字只會增長。

正如我們過去所見，增材制造作為解決供應鏈問題的一種方式對整個行業都有好處。Hawkes進一步評論說：“隨著供應鏈的成熟和增材制造的可擴展性得到證實，備件可以很容易地按需生產，減少庫存需求，并使零件制造更接近最終用戶。維護零件的供應鏈也可以采用分布式架構，因為可以從不同的供應商處采購相同的零件，而無需花費大量時間來開發新工具。”

△使用 DED 制造的波音 787 船尾廚房支架。增材制造可用于制造像這樣的復雜零件（圖片來源：波音）

然而，這并不意味著采用金屬 3D 打印并非沒有挑戰。尤其是安全性仍然是用戶在部署新技術時持謹慎態度的一個因素，這是可以理解的。而且，就測試數據而言，與來自鑄造或鍛造材料的測試和操作經驗的巨大存儲庫相比，增材制造可用的數據要少得多，這使得情況更加惡化。根據 White 博士的說法，這意味著用戶必須在風險接納和創新需求之間徘徊。

值得慶幸的是，這是可以克服的。一個例子是 ASTM 正在通過 AM CoE 的材料數據和標準化聯盟縮小數據收集方面的差距。其目標是利用增材制造價值鏈中 27 個成員的輸入創建高質量的數據集。建模和仿真還可以減少所需的測試量，使增材制造在行業中的使用總體上更有把握。

航空航天應用金屬 3D 打印部件認證

當然，對于任何希望在航空航天領域采用金屬 3D 打印的制造商來說，關鍵問題之一是零件是否可以通過認證。盡管有可能，但也可能很困難。Brian Hawkes 指出，“目前對航空航天應用的部件進行認證是一項挑戰，因為增材制造在航空航天工業中被視為一項相對較新的技術，一些用于認證增材制造部件的標準和指南尚未完全制定。在航空航天工業中，需要一種全面的認證方法。資格認證必須詳細說明打印部件的所有方面，包括材料選擇、生產驗證和測試。但這并不意味著沒有希望。盡管面臨挑戰，但隨著當局致力于制定全面的標準和指南，增材制造仍有可能徹底改變航空航天業。“

Martin White 還特別強調，不僅航空零部件需要通過 FAA 或 EASA 等監管機構的認證，而且公司還需要擁有自己的質量保障系統。他解釋說，“鑒于需要控制增材制造產品的可變性，必須有一個可以提供資格和認證的基礎，即質量管理體系(QMS)。增材制造的質量保證本身就是增材制造的一個大話題，但在最高級別，建議始終是制定計劃并堅持計劃。基于ASTM/ISO 共識的標準也可以構成航空航天 QMS 以及基于標準的認證的基礎。”

△盡管有限制，公司仍能夠使用金屬增材制造創建許多經過認證的零件，例如 Velo3D 中的這些示例（圖片來源：Velo3D）

Michael York 指出了另一個局限性，特別提到了資格認證的成本：“目前的資格認證成本高于傳統成本，但預計它會隨著時間的推移而下降，從而更容易獲得。”

無論如何，如前所述，即使過程尚不簡單，實際上也有可能擁有經過認證的零件。York 解釋了他們在伊頓的經歷，并指出：“伊頓航空航天公司已經對生產中的商用飛機金屬增材制造部件進行了認證。通常，認證過程需要大量的材料和過程統計數據，以證明您已經在特定過程甚至機器的特定序列號上完全表征了特定材料。”

很明顯，要標準化和推進金屬 3D 打印部件的認證，還有很多工作要做。然而，這當然是可以做到的。像 ASTM International 這樣的標準組織在這方面尤其重要。例如，ASTM 有增材制造質量保證高級培訓課程。此外，這些組織通常擁有有助于培養個人能力的認證，例如基于 ASTM/ISO 52942 的 ASTM 機器操作員認證，它可以支持在 QMS 中展示操作員能力。此外，它肯定有助于與可能在航空航天領域使用金屬 3D 打印經驗的公司合作，無論是像 Velo3D 這樣的 3D 技術制造商，還是像 Eaton Aerospace 這樣經驗豐富的航空航天公司。

然而，總的來說，可以肯定地說金屬 3D 打印非常適合航空航天領域的各種應用。它有許多明顯超過缺點的好處，用戶可以在許多不同的過程之間進行選擇以獲得他們想要的結果。話雖這么說，仍然需要做一些工作來使采用變得更加容易，特別是在認證和資格方面。